大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置的制作方法

本發明涉及一種新型防波堤，具體涉及一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置。

背景技術：

大直徑圓筒結構作為一種新型結構型式在港口、海岸及近海工程中得到了廣泛的應用，國內外工程實踐表明大直徑圓筒結構具有施工簡潔、造價低、耐久性好等特點，且能適應水深、浪大、地基較軟弱的惡劣環境，是一種理想的深水防波堤結構型式。

在波浪能發電領域，振蕩水柱波浪能發電裝置(OWC發電裝置)因其結構簡單,波浪能轉化過程中的能量損失少，適應范圍廣，可靠性強,維護簡單等特點在工程領域得到了廣泛的應用。OWC發電裝置與近海建筑物相結合,將是未來OWC發電裝置結構研究的發展方向。

在諸多已公開的技術專利中，對于直立堤等傳統防波堤兼顧發電功能的關注相對較多，而對于大直徑圓筒結構作為防波堤結構同時兼顧發電功能的關注較少，近海深水區設置大直徑圓筒防波堤的區域波浪一般都較大，而這對于安裝OWC發電裝置也是十分有利的條件，在深水區波浪能豐富的波浪條件下探索大直徑圓筒型防波堤建設與OWC發電裝置相結合就更顯得尤為必要。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置，其主要目的在于提供一種可利用振蕩水柱原理實現波浪能發電的大直徑圓筒型透空式防波堤，即將振蕩水柱波浪能發電裝置與大直徑圓筒防波堤建設相結合，有效提高防波堤的綜合經濟效用，從增加發電效率和消能作用的角度出發，優化結構型式，提高結構的整體穩定性,解決由于OWC裝置的加入使得防波堤結構的穩定性會受到影響的問題，提出適用于深水區劇烈波浪條件下最為經濟的OWC型防波堤解決方案。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置，由多個大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電單元構成，單個發電單元由大直徑圓筒體、筒頂蓋板、底部開口、支撐樁、氣室、空氣透平、發電機組、護底塊石、反濾層和回填土組成。所述發電單元逐一間隔一定距離布置，筒心間距取為L；所述發電單元由沉入式大直徑圓筒作為主體結構，大直徑圓筒體底端深入海床泥面線以下，豎直插入海床中；所述筒頂蓋板位于大直徑圓筒體頂端，與大直徑圓筒體牢固不透氣銜接，所述筒頂蓋板中部預留有氣流通道，氣流通道上方安裝布置有空氣透平，空氣透平上方直接連接至發電機組；所述氣室即為筒頂蓋板與大直徑圓筒體內水面之間構造形成的密閉空間；所述底部開口位于水面下方大直徑圓筒體上，為大直徑圓筒體施工完成經扇形切割后形成的通道，所述支撐樁位于底部開口所在扇形切割面迎浪側，上下端與大直徑圓筒體豎直相接，起支撐受力和連接作用；所述護底塊石布置于大直徑圓筒體內底部開口下方，均勻布置滿大直徑圓筒體水平斷面，起到防止水流淘刷的作用；所述反濾層布置于護底塊石下方，起到防止回填土流失的作用；所述回填土位于反濾層和泥面線以上的大直徑圓筒體內部，起到填充防波堤堤體，增強結構整體穩定性的作用。

進一步，各發電單元逐一間隔一定距離布置，筒心之間距離取為L，L應滿足L＝(1.05～1.20)·d，其中，d為大直徑圓筒體外邊緣的直徑大小；

進一步的，所述的氣室在大直徑圓筒體內自水面起形成密閉空間，僅氣流通道處為允許氣流通過；所述氣流通道自筒頂蓋板起上方距離y處安裝布置有空氣透平和發電機組，y＝(1.0～1.5)·H(H為設計波高)。

進一步的，所述底部開口位于水面下方大直徑圓筒體上，為大直徑圓筒體經扇形切割后形成的通道，切割高度即底部開口高度為d₂，d₂應取為(0.25～0.50)·h(h為設計水深)，切割角度為120°～180°，切割中線為大直徑圓筒圓心與迎浪向的連線，左右兩端對稱布置。所述底部開口頂端高程位于水面下方距離d₁處，d₁應滿足d₁≥d_max，d_max取1.0·H和0.25·h經比較后的較大值，所述水面指的是結合工程資料后確定的設計低潮位；所述底部開口允許大直徑圓筒體內外水體連通，成為波能傳遞的通道。設計波高指重現期為50年，波高累計率為1％的波高值，設計水深指50年一遇設計低潮位時自水面至海床泥面線之間的距離。

進一步的，所述支撐樁位于底部開口所在扇形切割面迎浪側，為剛性結構，上下端與大直徑圓筒體整體銜接，起支撐受力和連接作用，支撐樁截面為矩形，長度m＝2·a，寬度n＝1.5·a，a為大直徑圓筒的厚度；

進一步的，所述筒頂蓋板距離水面高度為d₀，d₀應滿足d₀≥(1.0～1.25)·H，此處水面高度指的是結合工程資料后確定的設計高潮位；

進一步的，所述大直徑圓筒體直徑以及厚度的選擇、沉入海床深度的確定應結合工程地質條件和海洋水文資料確定。

一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置的實現過程如下：

a.波浪作用至防波堤，大直徑圓筒體擋浪消能：

波浪由外海向防波堤方向推進，大直徑圓筒體作為防波堤結構主體起到阻擋波浪行進的效果，發揮類似于大直徑圓筒防波堤的擋浪消波功能；

b.波浪入射，波峰波谷交替，氣室內波浪能做功；

底部開口允許大直徑圓筒體內外水體自由交換，波浪入射作用時結構整體即等同于振蕩水柱波能發電裝置，當波谷到達氣室外側時，氣室內水位在波峰作用下開始升高：在水位升高過程中，氣室內壓強增大，空氣流動推動空氣透平運動，繼而帶動發電機組發電；波谷傳播至氣室內側時，水面下降，壓強降低，空氣反向流動，繼續推動空氣透平運動，帶動發電機組發電；

c.波浪通過大直徑圓筒體間隙傳播時，孔隙消能

大直徑圓筒體間隙允許波浪透過大直徑圓筒體間隙向防波堤掩護區域傳播，波浪透射過程中，在大直徑圓筒體作用下水體向筒體間隙集中，發生部分水體透過筒體間隙傳播形成射流，筒體間隙間水體運動由入射波，反射波，繞射波甚至破碎波等各種變形后疊加而成，水體與結構相互作用形成的碰撞、摩擦和繞流，造成水體紊亂效應增強，波浪能得到進一步耗散，顯著降低防波堤的透射系數。

d.循環與重復過程；

在實際工況中，防波堤投入使用后不斷重復過程a、b、c，循環實現波浪能發電和防波堤的擋浪消波作用。

本發明的有益效果：

1、一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置，在保證防波堤發揮原有擋浪消波功能的前提下，兼顧波浪能發電功能，適用于深水區防波堤強浪工況，填補了相關工況防波堤功能復合化利用的空白，創新性和實用性顯著。

2、本發明結構單元在大直徑圓筒防波堤的基礎上創造性設計水流交換通道，允許圓筒體內外水體交換，同時兩相鄰大直徑圓筒體之間留有空隙，堤身承受的波浪作用力相應減小，大直徑圓筒體整體受力均勻，工作狀況良好，材料性能得到充分發揮。

3、一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置，在防波堤工作時，根據能量守恒定律可有：E_入射波能＝E_{轉化為電能}+E_透射波能+E_損耗波能+E_反射波能，即入射波波能不變的前提下，通過波浪能發電增加E_{轉化為電能}，通過在筒體之間留有空隙使水體紊亂消能，一定程度上增加E_損耗波能，從而顯著降低E_透射波能及E_反射波能，確保良好的消浪效果的前提下具有較高的能量轉化率。

4、本發明在工程建成投產后環保效應明顯，波浪能利用綠色環保，有效提高防波堤的綜合經濟效用，同時材料用量省，建設成本相對較低。

5、本發明波浪能轉化部分采用振蕩水柱波能轉化原理，工程可靠性強；本發明中各設計中盡可能減少構件與海水接觸，結構耐久性強。

綜上所述，本發明尤其適用于深水強浪工況，在具有良好的防波效果的前提下，能夠有效減小防波堤后方的透射波高，同時可以實現可靠、高效的波浪能轉化利用，綠色環保，此外，防波堤允許港內外水體交換，環境友好性強。

附圖說明

圖1是本發明的發電單元示意圖。

圖2是防波堤整體布置迎浪側側視圖

圖3是大直徑圓筒體底部開口處剖視圖

1.大直徑圓筒體，2.筒頂蓋板，3.發電機組，4.空氣透平，5.氣室，6.護底塊石，7.反濾層，8.底部開口，9.支撐樁，10.回填土，11.氣流通道

具體實施方式

下面對本發明的技術方案進行進一步說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施實例。某防波堤工程設計采用一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置的技術方案，由多個大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電單元構成防波堤整體，如圖1所示，單個大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電單元由大直徑圓筒體1、筒頂蓋板2、底部開口8、支撐樁9、氣室5、氣流通道11、空氣透平4、發電機組3、護底塊石6、反濾層7和回填土10組成。發電單元逐一間隔布置，大直徑圓筒體1厚度為0.40m，外直徑為10m，筒心間距取為10.8m；發電單元由大直徑圓筒體1作為主體沉入式結構，大直徑圓筒體1底端深入海床泥面線以下20m，豎直沉入至海床中，自泥面線至水面線(設計低潮位)高度為19m；筒頂蓋板2位于大直徑圓筒體1頂端，與大直徑圓筒體1牢固不透氣銜接，筒頂蓋板2中部預留有氣流通道11，氣流通道11上方安裝布置有空氣透平4，空氣透平4上方直接連接至發電機組3，空氣透平4距離筒頂蓋板2距離為5.50m，空氣透平4選用Wells透平；氣室5即為筒頂蓋板2與大直徑圓筒體1內水面之間構造形成的密閉空間；底部開口8位于水面下方大直徑圓筒體1上，為大直徑圓筒體1施工完成經扇形切割后形成的通道，如圖2，圖3所示，支撐樁9位于底部開口8所在扇形切割面迎浪側，上下端與大直徑圓筒體1豎直相接，起支撐受力和連接作用；護底塊石6布置于大直徑圓筒體1內底部開口8下方，均勻布置滿大直徑圓筒體1水平斷面，采150kg～200kg塊石，厚度取為0.80m，起到防止水流淘刷的作用；反濾層7布置于護底塊石6下方，采用450g/㎡無紡土工布兩層，起到防止回填土10流失的作用；回填土10位于反濾層7和泥面線以上的大直徑圓筒體1內部，采用工程附近易得的砂性土作為回填土10，起到填充堤體，增強結構整體穩定性的作用。設計波高用3.64m，水深19m，底部開口高度為d₂，d₂取6.00m，切割角度為150°，切割中線為大直徑圓筒體1圓心與迎浪向的連線，左右兩端對稱布置。底部開口8頂端高程位于設計低潮位向下距離d₁處，d₁取為5.0m，支撐樁9位于底部開口8所在扇形切割面迎浪側，為鋼筋混凝土預制樁結構，上下端與大直徑圓筒體1整體銜接，起支撐受力和連接作用，支撐樁截面為矩形，長度m＝0.8m，寬度n＝0.6m，筒頂蓋板2自離設計高潮位以上取高度為d₀，d₀取4.0m。

一種大直徑圓筒型透空堤兼振蕩水柱波能發電裝置的實現過程如下：

a.波浪作用至防波堤，大直徑圓筒體擋浪消能：

波浪由外海向防波堤方向推進，大直徑圓筒體作為防波堤結構主體起到阻擋波浪行進的效果，發揮類似于大直徑圓筒防波堤的擋浪消波功能；

b.波浪入射，波峰波谷交替，氣室內波浪能做功；

底部開口允許大直徑圓筒體內外水體自由交換，波浪入射作用時結構整體即等同于振蕩水柱波能發電裝置，當波谷到達氣室外側時，氣室內水位在波峰作用下開始升高：在水位升高過程中，氣室內壓強增大，空氣流動推動空氣透平運動，繼而帶動發電機組發電；波谷傳播至氣室內側時，水面下降，壓強降低，空氣反向流動，繼續推動空氣透平運動，帶動發電機組發電；

c.波浪通過大直徑圓筒體間隙傳播時，孔隙消能

大直徑圓筒體間隙允許波浪透過大直徑圓筒體間隙向防波堤掩護區域傳播，波浪透射過程中，在大直徑圓筒體作用下水體向筒體間隙集中，發生部分水體透過筒體間隙傳播形成射流，筒體間隙間水體運動由入射波，反射波，繞射波甚至破碎波等各種變形后疊加而成，水體與結構相互作用形成的碰撞、摩擦和繞流，造成水體紊亂效應增強，波浪能得到進一步耗散，顯著降低防波堤的透射系數。

d.循環與重復過程；

在實際工況中，防波堤投入使用后不斷重復過程a、b、c，循環實現波浪能發電和防波堤的擋浪消波作用。